柴西地区古、新近系页岩气储层微观特征研究

尚长健，欧光习，张敏，邱林飞，黎琼，吴迪

（核工业北京地质研究院，北京100029）

柴西地区古、新近系页岩气储层微观特征研究

尚长健1，欧光习，张敏，邱林飞，黎琼，吴迪

（核工业北京地质研究院，北京100029）

通过X衍射、氩离子抛光-扫描电镜、纳米CT、氮气吸附法等分析测试，研究了柴西地区古、新近系不同类型页岩气储层微观特征。研究表明，古、新近系页岩发育多种储集空间类型，主要为残余的原生孔隙或微裂缝、有机质生烃形成的微孔隙、黏土矿物转化形成的孔隙、长石和方解石等溶蚀形成的孔洞等，这些微孔隙以及裂缝的存在，为页岩气的赋存提供了空间。古、新近系泥页岩微孔隙发育，且连通性较好，从泥质粉砂岩→泥岩→灰质泥岩孔隙连通性具有逐渐减小的趋势。上、下干柴沟组泥页岩中的泥质粉砂岩夹层是优质的页岩气储层，而灰质泥岩是最不理想的页岩气储层。研究成果可为下一步的页岩气勘探开发提供基础支撑。

柴西地区；古、新近系；页岩气储层；微观特征

页岩气是以吸附和游离状态存在于低孔隙度、特低渗透率的富有机质的泥页岩层系中的天然气。页岩气以其资源丰富、长期稳产、分布范围广和可开发利用的特点，被认为是未来非常重要的替代能源［1-3］。

在传统的油气地质研究中，泥页岩均被认为烃源岩或盖层。现代显微镜和扫描电镜研究发现，泥页岩中也存在着孔隙、喉道、晶洞和裂缝组成的储层系统，并且会连通形成网状。这些网状空间是页岩气主要的储集场所。孔隙的性质既可决定页岩气储层的比表面积又可决定微孔隙的丰度，进而影响页岩气吸附气和游离气含量［4］，孔隙结构直接影响到储层的储集能力和页岩气开采［5-6］。页岩气储层评价对页岩气成藏机理研究及资源量估算，乃至勘探开发均具有极其重要的意义。

柴达木盆地页岩气研究才刚刚起步，鲜见柴西地区古、新近系页岩气储层微观特征研究的报道。系统研究不同类型富有机质泥页岩的储层特征，对下一步柴西地区古、新近系页岩气勘探开发，具有重要的参考意义。

图1 柴西区域地质简图Fig.1The regional geological schematic map of western Qaidam Basin

1 柴西地区地质背景

柴达木盆地是由多条断裂所包围的不规则菱形盆地，盆内中新生界厚度一般为6 000～7 000 m，最厚可达17 200 m［7］。该盆地内页岩气的研究才刚刚起步，是我国油气资源战略接替的重要领域之一。前人研究显示，柴达木盆地西部古、新近系，即乐河组（E1＋2）、下干柴沟组（E3）、上干柴沟组（N1），发育有分布广泛、厚层的泥页岩，具备页岩气成藏和富集的烃源条件。古、新近系埋深介于1 500～4 000 m之间，下干柴沟组最厚超过1 400 m，上干柴沟组厚度最厚可超过700 m。

古、新近系基本覆盖了柴达木盆地全区，但主体分布区是柴西地区。古、新近系自下至上分为路乐河组（E1＋2）、下干柴沟组（E3）、上干柴沟组（N1）、下油砂山组（N21）、上油砂山组（N22）和狮子沟组（N23）6套地层。本次研究的目的层为路乐河组（E1＋2）、下干柴沟组（E3）、上干柴沟组（N1），选取22口典型钻井，进行系统采样分析，以此为基础研究页岩气储层微观特征（图1）。

2 古、新近系岩石矿物组成

研究区泥页岩以泥岩、（粉）砂质泥岩、钙质泥岩为主，少量含钙泥岩和灰质泥岩。泥页岩矿物组成的变化影响着页岩的力学特性、孔隙结构和对天然气的吸附能力。选取盆地西部古、新近系的40余件不同类型的泥页岩样品进行X衍射全岩分析，并绘制矿物学三端元图解。分析结果显示，黏土矿物含量的分布范围在17.5%～69.3%之间，大部分集中在30%～60%；石英和长石等脆性矿物含量的分布范围较宽在9.9%～64.6%之间，大部分集中在30%～50%；碳酸盐矿物含量大部分较低，仅个别样品含量超过50%（图2）。

图2 页岩气储层岩石矿物组成Fig.2The mineral composition of gas reservoir shale

对古、新近系不同类型的泥页岩样品的黏土矿物进行X衍射分析表明（图3）:灰黑色、深灰色泥页岩中的黏土矿物主要是伊利石和伊蒙混层，泥质粉砂岩和部分泥岩中的高岭石含量相对较高；灰质泥岩和砂质泥岩中的高岭石含量相对较低，而伊利石却有极大幅度的增加，说明不同类型的泥页岩中不同黏土矿物的含量差别较大。

综合分析认为，古、新近系深灰色、黑色泥页岩中高含量的石英、长石等脆性矿物，在外力影响下易于形成微裂缝；方解石、白云石等碳酸盐矿物含量较高的层段，易于溶蚀产生溶孔；页岩气储层黏土矿物中伊利石含量与吸附气含量具有一定正相关性。

图3 页岩气储层黏土矿物组成Fig.3The clay mineral composition of gas reservoir shale

3 页岩气储层微观特征分析

3.1 储集空间类型

孔隙特征是衡量和评价储层优劣的重要指标，一直受到广泛的关注［8-10］。泥页岩储层的储集空间主要是基质孔隙和裂缝两类。孔隙和微裂缝构成了复杂的储层系统，为泥页岩中页岩气的赋存提供了空间。

研究区古、新近系泥页岩中基质孔隙的研究，采用了先进的氩离子抛光技术。将氩离子抛光好的样品置于扫描电镜下，观测泥页岩基质孔隙的大小和发育丰度。

3.1.1 残余原生孔隙或微裂缝

实验结果表明，下干柴沟组泥页岩样品中局部原生孔隙较发育，孔隙最大处可达数百纳米，但基本呈孤立状分布，连通性差，此类原生孔隙多存在于下干柴沟组砂新2井、油南1井、东3井泥页岩样品中。同时，在这些泥页岩样品内也发现了大量的微裂缝，裂缝宽度大多大于0.2 μm，且连通性极好（图4a）。

3.1.2 有机质生烃形成的孔隙

富含有机质的泥页岩大量发育孔隙，TOC为7%的泥页岩在生烃过程中，消耗35%的有机碳可使泥页岩孔隙度增加4.9%［11］。微孔的直径一般为0.01～1 μm孔隙，是吸附态赋存的页岩气主要储集空间。

在小柴旦剖面、鱼卡剖面、干柴沟剖面、甘森剖面，古、新近系露头风化严重，地球化学分析有机质含量仍较高（下干柴沟组TOC最大可达1.4%以上，上干柴沟组TOC最大可达0.45%以上）、烃源岩有机质成熟度也较高。通过对钻井泥页岩样品进行扫描电镜分析发现条带状、斑块状有机质（碳质沥青）中的微孔极为发育，呈蜂窝状结构，微孔隙形态多呈圆形、椭圆形和不规则形，微孔大者可达5 μm左右，部分微孔中还可见白色球状黄铁矿充填物（图4b）。在采集的样品中，此类孔隙普遍发育。

3.1.3 次生溶蚀孔隙

前人研究认为有两种情况可以产生次生溶蚀孔隙:一是在热力学上稳定性较差的斜长石和钾长石矿物，在埋藏成岩过程中易分解和转化而形成次生溶蚀孔隙；二是由于深色泥页岩中富含有机质，生烃演化过程中产生的酸性流体强烈溶蚀储层中的方解石、白云石矿物形成溶蚀孔隙。黄石1井下干柴沟组和阿2井上干柴沟组灰黑色泥页岩中，可以清晰地观察到长石和碳酸盐矿物被溶蚀的现象（图4c）。扫描电镜下观测发现，溶蚀孔径大多为0.5～2 μm，溶孔边缘多成不规则状。溶蚀孔洞的连通性较好，且溶蚀孔洞中发育片状、丝状黏土矿物。

图4 泥页岩中的储集空间类型Fig.4The types of reservoir space in shale

3.1.4 黏土矿物转化形成的微孔隙

页岩中的黏土矿物在成岩过程中，存在高岭石、蒙脱石减少，绿泥石、伊利石增加的趋势，特别是120～140℃之后的深埋藏成岩阶段。矿物转化作用往往伴随着矿物体积的改变，矿物体积收缩产生微孔隙，为储层提供了空间。扫描电镜照片显示，黄石1井上干柴沟组泥页岩伊蒙混层中发育孔洞，且部分连通性较好（图4d）。

3.2 孔隙三维显微结构特征

在油气储层孔隙研究中薄片分析、气体吸附分析、压汞分析和扫描电镜分析等分析方法经常使用。但对于泥页岩孔隙来说，薄片观察仪器分辨率不够；气体吸附法对孤立孔隙效果不好，且测定比表面积小的岩石误差大；压汞法无法确定孔隙结构中孔隙的数量分布；扫描电镜克服了前3种测试方法的缺点，但仅可提供二维的孔隙信息，无法获得结构、空间分布等信息［12-13］。

笔者采用纳米CT三维成像技术研究泥页岩储层三维显微结构。其原理是将X射线源聚焦到岩石样品内部特定的区域（20～60 μm），将整块岩石样品虚拟切成若干薄片，对每片岩石样品进行观测拍照，将所有观测图像结合在一起，便可以形成岩石样品的虚拟微观三维结构图像，最高分辨率可达50 nm。

通过纳米级精细三维图像可以直观地看到泥页岩中孔隙的分布特征。测试结果显示，碱石1井上干柴沟组孔隙连通性较好，孔隙含量较高，为页岩气富集提供了有利的条件（图5）。并且多数高密度矿物脆性较好，有利于页岩气的开采开发。坪3H-6-2井下干柴沟组样品显示出与碱石1井上干柴沟组样品同样的特征。通过代表性样品纳米CT测试，可以肯定本区目的层孔隙发育丰度较高，且高密度矿物含量也比较高。

3.3 孔隙连通性

泥页岩孔隙小，结构复杂，对于此类岩石孔隙分布的测试，目前较多使用的是压汞法和氮气吸附法。相对于压汞法，氮气吸附法能有效地克服泥页岩的大比表面和小孔径的困难，针对其微裂缝和层状微孔隙特征，详细测试出泥页岩的微孔径和中孔径的分布情况［14］。因此，本研究采用氮气吸附法测定古、新近系页岩气储层的孔隙结构。

实验选取了黄石1井、东坪1井、坪3H-6-2井和冷四1井具代表性的钻井泥页岩样品，包括不同层位的泥岩、灰质泥岩、砂质泥岩等，能较好的代表柴达木盆地古、新近系不同类型泥页岩储层的特征（图6）。

图5 碱石1井上干柴沟组灰黑色泥页岩复杂孔隙三维重构图像Fig.5The 3D reconstruction of complicated pore structure in Upper Gancaigou Formation，Jianshi 1Well

综合黄石1井、东坪1井、坪3H-6-2井和冷四1井的页岩气储层吸附曲线（图6），可以看出在P/P0＝0～0.45（低压段），曲线缓慢增长，这是由于吸附单分子层向多分子层过渡；P/P0＝0.80～1.00（高压段），曲线迅速增长，但仍未达到饱和现象，这是由于样品发育中孔及大孔；P/P0＝0.45～0.80（过渡段），此阶段为多分子层吸附。这也说明研究区古、新近系泥页岩中存在类型丰富的纳米孔隙，为平行的狭缝状的孔隙结构，此外还有其他形态的孔隙。由于封闭性孔隙一般不会产生吸附回线，而研究的不同类型泥页岩气储层均产生了明显的吸附回线，说明泥页岩储层孔隙以连通的孔隙为主。孔隙的连通性与泥页岩的吸附线上升速率相关，上升越快孔隙连通性越好，由此认为，取自页岩气储层不同层位的泥页岩样品从泥质粉砂岩→泥岩→灰质泥岩，孔隙连通性具有逐渐减小的趋势。

图6 柴达木盆地页岩气储层吸附等温线Fig.6The adsorption isotherm of shale gas reservoir in western Qaidam Basin

4 结论

以柴达木盆地西部古、新近系页岩气储层为研究对象，采用X衍射、氩离子抛光、扫描电镜、纳米CT、氮气吸附等分析方法，系统研究不同类型富有机质页岩的储层微观特征。主要取得以下认识:

1）古、新近系页岩气储层残余原生孔隙、有机质生烃形成的孔隙、次生溶蚀孔隙、黏土矿物转化形成的微孔隙等基质孔隙发育，三维显微结构显示孔隙度较大，如碱石1井上干柴沟组样品，孔隙度含量与高密度矿物相当，显示出优越的储集性能。

2）古、新近系页岩气储层微孔隙发育，且连通性较好，这些微孔隙以及裂缝的存在，为页岩气的赋存提供了空间。

3）通过氮气吸附法对储层孔隙测定，研究区古、新近系页岩储层孔隙以连通的孔隙为主，不同层位的样品从泥质粉砂岩→泥岩→灰质泥岩，孔隙连通性具有逐渐减小的趋势。研究表明，上、下干柴沟组泥页岩中的泥质粉砂岩夹层是优质的页岩气储层，而灰质泥岩是最不理想的页岩气储层。

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Study on microscopic features of Paleogene and Neogene System shale gas reservoir in western Qaidam Basin

SHANG Changjian，OU Guangxi，ZHANG Min，QIU Linfei，LI Qiong，WU Di

（Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Study on microscopic features of shale gas reservoir in the shale gas reservoir of Paleogene and Neogene System in western Qaidam Basin was carried out using X-ray diffraction（XRD）analysis，argon ion polishing-scanning electron microscope（SEM）analysis，nanometer CT analysis，nitrogen adsorption analysis.The comprehensive evaluation showed that many types of reservoir space was developed in Paleogene and Neogene System shale，such as residual original pores and micro-cracks，microporosity due to hydrocarbon formation，clay mineral transformation and dissolution of feldspar and calcite.The microporosity was well developed in Paleogene and Neogene System shale with good connectivity，but the connectivity decreased gradually from argillaceous siltstone to shale to lime mudstone.Argillaceous siltstone interlayer in Upper and Lower Gancaigou Formation shale is the ideal high-quality reservoir while the lime mudstone is the poor quality reservoir.The study result can used as a reference for the future shale gas exploration.

western Qaidam Basin；Paleogene and Neogene System；shale gas reservoir；microscopic features

P618.130.2＋1；P534.61

A

1672-0636（2016）01-0026-07

10．3969/j．issn．1672-0636．2016．01．005

2015-10-07；

2015-12-06

尚长健（1985—），男，河南商丘人，工程师，主要从事非常规油气地质方面的研究工作。E-mail:changjian_shang@163.com